鈦合金齒輪的表面處理與應用

李爭顯，姬壽長，王彥峰，王浩楠，劉林濤，杜繼紅，駱瑞雪，張寶坤

(1.西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)(2.中核集團公司504廠，甘肅 蘭州 730065)

0 引 言

在某重大工程中，傳輸具有很強腐蝕性的特種氣體時，原使用的是采用40Cr合金鋼加工而成的傳動齒輪，但在試運行過程中發現，齒輪轉動中因腐蝕和摩擦產生的粉末(鐵磁性物質)被磁傳動器吸入，填充在內磁轉子與隔套的間隙內，致使粉末與隔套產生很大的摩擦，加快了磁傳動器的升溫速率，大幅降低了磁傳動器的使用壽命。

這種在具有很強腐蝕性的特種氣體環境中運行的齒輪，不僅要承受氣體的腐蝕，還要承受齒輪運行時產生的沖擊和摩擦，其服役條件非?？量?。鈦合金在這種特種氣體中具有良好的耐腐蝕性能，但其耐磨性能差，不能直接用作傳動齒輪。為此，李爭顯團隊開展了以提高鈦合金在特種氣體環境中耐腐蝕性能和耐磨性能為中心的研究工作，并根據研究成果，成功制造出鈦合金齒輪。

本文則主要介紹了鈦合金齒輪在制造過程中關鍵的表面處理技術，以及無氫滲碳技術對鈦合金齒輪耐磨性能和抗沖擊載荷性能的影響。

1 齒輪的表面處理技術

眾所周知，齒輪在傳動過程中，通過齒面的咬合實現力矩的傳遞，在齒面的咬合過程中發生著復雜的摩擦現象。美國鐵姆肯公司的研究人員把齒輪的齒面分為5個區域，如圖1所示[1]。通常情況下，齒輪在節線附近C處會產生滾動摩擦，這個區域最普遍的磨損方式是點蝕。在節線B-C和C-D之間，齒面將經受滾動和滑動2種磨損混合形式的接觸，這個區域的磨損形式是點蝕和劃傷。而在A-B和D-E之間，齒面的接觸方式主要是滑動，引起的磨損主要是滑動產生的劃傷。因此，對齒輪進行的表面處理主要是提高齒輪的抗粘合性能、抗點蝕性能及抗磨損性能。

圖1 齒輪的齒面劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of wheal gear surface

常規的齒輪表面處理技術主要有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬、激光表面強化、熱噴涂等。隨著表面技術的發展及對齒輪傳動精密度要求的提高，出現了真空離子注入和等離子鍍等現代表面處理技術。這些技術利用物理方法在齒輪表面沉積一層TiN等陶瓷薄膜，不僅可以提高齒面的表面硬度，而且可以改善齒面的摩擦狀態，達到提高齒輪壽命的目的。另一方面，現代表面處理技術處理溫度較低，處理過程中齒輪幾乎不發生變形，易實現齒輪的高精密度制造[2-3]。但真空離子注入和等離子鍍2種工藝得到的耐磨層較薄，無法抵御重載轉動時齒輪的載荷。

研究人員嘗試依照鋼鐵齒輪表面處理的方法對鈦合金齒輪進行處理，但由于鈦合金材料的特殊性，遇到了很多問題。實踐表明，許多鋼鐵齒輪的表面處理方法并不適用于鈦合金齒輪。

通常，對鈦表面進行硬化提高其耐磨性能的處理方法有電鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、氮化、碳化、激光熔覆、熱噴涂等。然而，鈦合金齒輪在嚙合時承受著復雜的載荷，電鍍、PVD、CVD等方法制備的凃層與基體的結合力較小，無法滿足齒面耐磨性能要求。等離子氮化是一種鋼制齒輪表面處理應用最多的方法，該方法雖然可在鈦表面形成一層具有冶金結合的TiN層，但由于滲氮溫度較高，嚴重影響鈦合金的力學性能[4-5]。與等離子氮化相比，滲碳技術具有許多優勢，得到廣泛應用。滲碳技術是通過在材料表面滲入一定濃度C元素，從而形成了一層滲碳層，該滲碳層不僅與基體材料形成冶金結合，同時還具有很高的硬度，使齒輪不僅具有承受各類負荷(磨損、疲勞、機械負載及化學腐蝕)的能力，還具有高的耐磨性、疲勞強度及優良的耐蝕性能。

另外，從摩擦學方面分析，TiN與TiN形成摩擦副的干摩擦系數為0.53，而TiC與TiC形成摩擦副的干摩擦系數僅為0.17[6],因此對鈦合金齒輪進行表面處理的最好方法即能夠在鈦表面形成摩擦系數低的含有TiC相的強化層。

2 鈦合金齒輪表面無氫滲碳

西北有色金屬研究院研發的無氫滲碳技術是在低于等離子滲氮溫度下，對鈦材料進行沒有氫元素參與的滲碳處理，避免了使鈦合金力學性能降低的“氫脆”問題[7-12]。圖2是TC4鈦合金經過無氫滲碳處理后的表面及截面形貌。由圖2可以看出，滲碳層表面光滑(圖2a)，呈拋光態的表面特征;滲碳處理后最外層Ⅰ是一層較疏松的碳膜，其下為結構單一的Ⅱ層，厚度大約為25 μm(圖2b)。

圖2 TC4鈦合金滲碳層的表面及截面形貌Fig.2 Morphologies of carburizing coating on TC4 titanium alloy: (a)surface; (b)cross-section

對Ⅱ層進行XRD分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，Ⅱ層是單一的TiC相，是C與Ti反應形成的硬化層。Ⅲ層是一層C的擴散層，厚度大約為150 μm。從Ⅲ層的XRD圖譜(圖4)可以看出，該層為TiC與Ti的混合相。

TC4鈦合金材料表面進行無氫滲碳后，其滲碳層硬度在滲層深度方向上的變化如圖5所示。從圖5可以看出，表層的TiC層硬度較高，達到13 GPa。鈦合金齒輪承受的沖擊載荷很大，硬度高、脆性大的

圖3 Ⅱ層的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of Ⅱ layer

圖4 Ⅲ層的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of Ⅲ layer

TiC層在齒輪運行時非常容易破裂，因此在鈦合金齒輪滲碳后，需要去除該TiC層。TiC層下面的滲層中是TiC與Ti的復合相，其硬度雖較TiC層稍有降低，但仍然可以抵御齒輪傳動時的摩擦損傷。滲碳層中的Ti相增強了滲層的韌性，提高了齒面的抗沖擊性能。圖6是鈦合金齒輪(已去除表面TiC層)2個不同齒面滲層硬度沿滲層深度的變化曲線。此時，鈦合金齒輪的齒面硬度大體被控制在7～8 GPa范圍內。

圖6 鈦合金齒輪硬度隨滲碳層深度的變化曲線Fig.6 The hardness of titanium alloy wheal gear varies with the depth of the carburized coating

通常情況下，經過高溫處理的材料其力學性能均要發生變化，特別是重要場合使用的鈦合金齒輪，對基體的力學性能有著嚴格的要求。表1列出了4件經過無氫滲碳處理的TC4鈦合金試樣及1件未經滲碳處理的TC4鈦合金試樣的力學性能。從表1可以看出，經過滲碳處理后，TC4鈦合金的抗拉強度、規定非比例延伸強度發生了一定的變化，但變化率僅為0.6%；4件滲碳試樣的斷后伸長率平均值為18.25%，較未滲碳試樣下降了4%，但仍然達到國標要求；斷面收縮率平均值為46.75%，提高了46%。斷面收縮率的提高有利于提升材料的承載沖擊載荷性能。

表1鈦合金滲碳試樣的力學性能

Table 1 Mechanical properties of carburizing titanium alloy samples

3 鈦合金齒輪的加工及應用

加工高質量、高精度的鈦合金齒輪不僅需要有效的表面處理技術，還需要表面處理工序與機械加工、熱處理等工序的有效協調。圖7是鈦合金齒輪加工工序的流程圖。圖8是經過無氫滲碳處理后的TC4鈦合金齒輪的照片。

圖7 鈦合金齒輪的加工工序流程圖Fig.7 Production process chart of titanium alloy wheal gear

圖8 經過無氫滲碳處理的TC4鈦合金齒輪Fig.8 Photo of the hydrogen-free carburizing TC4 titanium alloy wheal gears

依據上述工藝技術加工的TC4鈦合金齒輪,其結構尺寸、形位公差及轉動精度均達到了設計要求的技術指標。用該齒輪組裝的傳動系統，在以0.25%的六氟化鈾(UF6)為主要成分，同時含有微量氟氣(F2)和氟化氫(HF)的60 ℃混合氣體中，順利通過了432 h的性能測試。對該系統進行了10個周期(每個周期480～552 h)的循環運行考驗，結果表明：TC4鈦合金齒輪耐磨性能優良，抗沖擊振動性能良好，噪聲很低，運轉平穩，可靠性高，達到了長期穩定運行的要求。截至目前，該套TC4鈦合金齒輪已平穩運行了16年。

4 結束語

對于結構復雜、尺寸精度高的鈦合金齒輪等重要零件，以提高性能為主的表面處理工序，不能作為零件的最終工序，需要結合表面處理和機械加工的特點，合理安排工序。將鈦合金齒輪運行過程中的受力特征與鈦合金表面無氫滲碳層的結構特點有機的結合，在鈦合金齒輪表面制備出TiC+Ti擴散層，不僅提高了齒面的耐磨性能，也提高了齒面抗沖擊載荷的能力。通過無氫滲碳、熱處理及機械加工工序的有效協調，制造出已經平穩運行16年，且耐磨性能優良、抗沖擊振動性能良好、噪聲很低、運轉平穩的鈦合金齒輪。鈦合金齒輪耐蝕、無磁性、降噪等特征為其在苛刻條件服役打下了基礎?？梢灶A言，鈦合金齒輪將會作為高性能的傳動構件應用于我國航空航天、艦船等領域，為我國高端制造業服務。